JP2009275878A - スプライン軸、動力伝達シャフトおよび等速自在継手外輪 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス加工により成形したスプライン軸の軸方向におけるオーバボール径のばらつきを抑制する。
【解決手段】プレス加工により成形したスプライン軸において、根元部ｍの全硬化層深さを根元部ｍ以外の部分の全硬化層深さよりも深くする。
【選択図】図１

Description

この発明はスプライン軸に関し、また、そのスプライン軸を有する動力伝達シャフトおよび等速自在継手外輪に関する。

スプラインは軸と穴の結合のために用いる機械要素として周知である。軸の外周面に軸方向に延びる突起を形成し、穴には軸方向に延びる溝を形成して、互いにはめ合わせるようにしたもので、はめあいを緩くして軸方向に相対移動できるようにしたタイプもある。突起の形状によって角形スプライン、三角歯セレーション、インボリュートセレーションなどに分けられる（JIS D 2001 自動車用インボリュートスプライン参照）。以下および特許請求の範囲では、単にスプラインというときはスプラインとセレーションの両方を含むものとする。

スプライン軸の加工には転造やプレスなどの塑性加工が利用される。特許文献１および特許文献２にはプレス加工による例が、特許文献３には転造による例が記載されている。プレス加工によるスプライン軸の成形は、金型の精度向上により隣接歯形のばらつきを低減できるため、転造に比べてピッチエラーやオーバボール（O.B.D.）の周方向での相互差が改善できる。オーバボール径とは、図１１（Ａ）に示すように、相対する二つの歯ミゾにそれぞれボールをはさみ込んだときのボールをはさんだ距離をいう。ボールに代えてピンを用いることもあり、その場合はオーバピン径（O.P.D.）と呼ぶ。

自動車のドライブシャフトやプロペラシャフトなどのスプライン部を含めた軸部には、静強度、疲労強度および耐摩耗性向上のため熱処理が施される。自動車部品においては、高周波誘導加熱を利用して必要な部分にのみ熱処理を施すことが可能な高周波焼入れが主流である（特許文献１、２参照）。
特開２００６−０６１９３０号公報 特開２００７−１９８４０１号公報 特開２００８−０７３７３１号公報

スプライン軸に焼入れを施すと複雑な熱処理変形が発生し、スプライン軸の軸方向位置によってオーバボール径が複雑に変化する。とくにプレス加工により成形されたスプライン軸の場合、図１１（Ｂ）に示すように、スプライン根元部でオーバボール径が大きくなる傾向がある。すなわち、プレス加工によりスプライン軸を成形する場合、素材となる軸の端部をダイスに軸方向に圧入していく過程で反圧入方向への素材の塑性流動があり、しかもその塑性流動量が比較的大きいために、成形されたスプライン軸では、成形終端部（根元部）の歯厚が軸端側に比べて相対的に大きくなり、根元部のオーバボール径が他の部分に比べて大きく増加する。このようなスプライン軸に高周波焼入れを施すと、複雑な熱処理変形により、根元部のオーバボール径のばらつきが大きくなる。

オーバボール径が大きいとスプライン穴との間の締め代が大きくなるため、相手部材の強度低下を引き起こす。また、根元部のオーバボール径が大きいと、根元部での嵌合が困難になるため、有効な嵌合長さを確保するためにスプライン軸を長くする必要がある。逆に、オーバボール径が小さいと、異音の原因となるすきまが発生する。

そこで、この発明の目的は、プレス加工により成形したスプライン軸の軸方向におけるオーバボール径のばらつきを抑制することである。

この発明のスプライン軸は、プレス加工によって成形したスプライン軸であって、根元部の全硬化層深さを根元部以外の部分の全硬化層深さよりも深くしたことを特徴とする。
根元部の全硬化層深さを深くすることによって、ねじ軸の軸方向におけるオーバボール径のばらつきを少なくすることができる。とくにプレス加工により成形されたスプライン軸の場合に有利である。すでに述べたとおり、プレス加工により成形したスプライン軸の場合、その成形過程に起因して、根元部の歯厚が軸端側に比べて相対的に大きくなり、根元部のオーバボール径が他の部分に比べて大きく増加する傾向にあるからである。プレス加工により成形したスプライン軸の場合、プレス加工完了時に確認した根元部のオーバボール径の拡径を熱処理完了時に抑制できる。

焼入れ深さは、スプライン軸を焼入れする際の加熱を調整することによって調整することができる。また、高周波焼入れを採用すれば、このような加熱の調整は容易である。たとえば、定置焼入れの場合はコイルにコアを取り付けることにより、移動焼入れの場合は位置に応じて加熱出力を変化させることにより、加熱を調整することができる。高周波焼入れは、まず、ワークの表面が高周波誘導電流によって急激に加熱され、その後、冷却液が噴射されることによって急冷が行われる。

スプライン軸の素材は０．３〜０．６ mass％の炭素を含む鋼である。具体例を挙げるならば、ＳＡＥ１５３５Ｍ、ＳＢＭ４０、Ｓ４０Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５３Ｃ等々である。炭素量が０．３mass％未満では高周波焼入れに適さない。また、炭素量が０．６mass％を越えると冷間加工が困難となる。

また、そのようなスプライン軸を有する機械部品の例としては、自動車のドライブシャフトやプロペラシャフトといった動力伝達シャフト、等速自在継手の外輪などが挙げられる。

スプライン軸のモジュールは、ドライブシャフト向けのスプラインの場合、０．７〜２．０である。モジュールが２．０を越えて大きくなると、プレス成形性が悪くなることがある。モジュールとは、基準ラックのピッチを円周率で除した値をいう。基準ラックとは、基準ピッチ円の半径が無限大になった場合のスプライン軸の直角断面であってスプライン歯軸形の基準になるものである。

この発明によれば、プレス加工により成形したスプライン軸の軸方向におけるオーバボール径のばらつきを抑制することができる。

スプライン軸に高周波焼入れを施すにあたり、根元部を強く加熱することにより、根元部の熱処理変形量を他より小さく抑え、熱処理完了時のスプライン根元部のオーバボール径の拡径を低減できる。スプライン根元部のオーバボール径の拡径を抑制することにより、締め代が大きくなって嵌合相手部材の強度が低下するという問題を解消または少なくとも軽減できる。また、オーバボール径が小さくなって異音の原因となるすきまが発生するという問題を解消または少なくとも軽減できる。また、有効スプライン範囲が広がることで、スプライン軸を短くすることができ、スプライン軸を含む製品全体の小型化、軽量化が可能となる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
まず、図１（Ａ）に実施例のスプライン軸２を示す。図１（Ａ）は、中心線（一転鎖線）をはさんで、上側に正面を示し、下側に断面を示してある。ハッチングは焼入れ硬化層を表している。この実施例の場合、スプラインの諸元は図１（Ｂ）に示すとおりである。すなわち、基準円：２８．０ｍｍ、大径ｄ３：２８．９ｍｍ、小径部ｄ２：２８ｍｍ、小径ｄ１：２６．８５で、軸端から３１ｍｍの範囲にスプライン６が成形してある。スプライン６の先端を符号ａ、基端を符号ｂで示すならば、焼入れ硬化層は基端ｂから軸端側へＰ＝２０ｍｍの範囲にとどまっている。

基端ｂは軸端から遠ざかるにつれて小径となる逃げ部ｎを経て小径部４に連なっている。小径部４はスプライン加工上の都合により設けられるものである。基端ｂから軸端側に所定距離ｍの範囲を根元部と呼ぶこととする。

スプライン６の小径ｄ１と大径ｄ３と小径部４の直径ｄ２はｄ１＜ｄ２＜ｄ３の関係にある。大径ｄ３はスプライン６の歯の直径に相当し、小径ｄ１はスプライン６の歯ミゾの直径に相当する。歯ミゾは切り上がり部８を介して小径部４に連なっている。切り上がり部８はプレス加工に使用するダイスの肩部形状が転写されることによって形成されるもので、この実施例では、軸端側に向かって漸次小径となったテーパ状であるが、円弧状の場合もある。切り上がり部８と歯ミゾとの交点をスプライン起点ｃと呼ぶ。

図２は、縦軸にオーバボール径O.B.D.（ｍｍ）、横軸にその測定位置（スプライン起点ｃからの距離（ｍｍ））をとり、実線はプレス成形完了後の測定値、破線は高周波焼入れ完了後の測定値をプロットしたものである。同図に示すように、プレス加工により成形したスプライン軸のオーバボール径O.B.D.はスプライン起点ｃが最大となっており、スプライン起点ｃから軸端側に３ mmの範囲で他に比べて拡径していることが確認できた。
このスプライン軸に高周波焼入れを施し、オーバボール径O.B.D.の分布を調べた結果、プレス加工完了時に見られた根元部の拡径が残存していることが確認できた。スプライン起点ｃから５ mmの位置でオーバボール径O.B.D.が最小となることもわかった。

また、図３に示すように、スプライン起点ｃから５ mmの位置は熱処理変化量が最も小さいことがわかった。同図の縦軸はオーバボール径O.B.D.の熱処理変化量（ｍｍ）、横軸はその測定位置（スプライン起点ｃからの距離（ｍｍ））を表している。

高周波焼入れしたスプライン軸を軸方向に切断して硬化層の深さを確認したところ、図４に示すように、熱処理変化量が小さいスプライン起点ｃから５ mmの位置は、全硬化層深さが最も深くなっていることがわかった。全硬化層深さとは、硬化層の表面から硬化層と生地の物理的又は化学的性質の差異が区別できない位置までの距離、言い換えれば高周波加熱による影響が確認できなくなる位置までの深さである（JIS B 6905参照）。このことから、スプライン起点ｃから５ mmの位置は最も強く加熱されていると推測される。なお、図４の縦軸は全硬化層深さ（ｍｍ）を表し、横軸はその測定位置（スプライン起点ｃからの距離（ｍｍ））を表している。

硬化層深さの測定方法はJIS G 0559による。すなわち、硬さ試験による測定方法は、試験品の切断面について、硬さ試験を行って、硬化層深さを測定する方法である。マクロ組織試験による測定方法は、試験品の切断面を腐食して、低倍率の拡大鏡で観察し、硬化層深さを測定する方法である。

根元部で見られるオーバボール径O.B.D.の拡径を抑えるためには、今回のテストでスプライン起点ｃから５ mmの位置に見られた熱処理変形が小さくなる位置がスプライン起点ｃになればよいと考えられる。熱処理変形の小さいスプライン起点から５ mmの位置は、全硬化層深さの測定結果に照らし最も強く加熱されていると考えられることから、図５に示すようにスプライン起点ｃが強く加熱されるようにコイルを調整して高周波焼入れを試みた。具体的には、コア（強磁性体）を貼り付けた。強く加熱したい部分にコアを貼り付けることにより、その箇所に磁束が集中し、効率よく加熱することができる。

上のように調整したコイルで高周波焼入れしたスプライン軸の軸方向オーバボール径O.B.D.を測定した結果、図６に示すように、根元部ではスプライン起点ｃ側のオーバボール径が小さくなっており、調整前と逆の傾向となることが確認できた。

コイル調整前後での熱処理変化量および全硬化層深さの比較を行った。その結果、図７および図８に示すように、熱処理変化量が最も小さい位置（図７）および全硬化層深さが最も深い位置（図８）は、ともに調整前に比べてスプライン起点ｃ側に移動していることが確認できた。

高周波焼入れの品質管理では有効硬化層深さが管理項目として挙げられる。上述の調整により、製品機能に関わる有効硬化層深さの変化が懸念されるため、調整前後での比較を行なったが、図９に示すように、コイルの調整前後での深さの変化はほぼ無いことが確認できた。ここで、有効硬化層深さとは、硬化層の表面から、規定する限界硬さの位置までの距離をいう（JIS B 6905参照）。

強く加熱された部分の熱処理変形が小さくなるという結果から、プレス成形品に限らず、強く加熱される場所を調整することにより、オーバボール径の調整が可能であると考えられる。強く加熱する部分の調整は、定置焼入れの場合はコイルにコアを取り付けることにより、移動焼入れの場合は加熱出力の調整により、いずれも容易に可能である。

モジュール０．７〜２．０かつ素材が０．３〜０．６ mass％の炭素を含む鋼であるスプライン軸に適用可能である。モジュールとは歯の大きさを表す係数で、ピッチ円直径を歯数で除した値（ｍ＝Ｄ／Ｚ）である。

述べたようなスプライン軸を有する機械部品の例として、自動車のドライブシャフトやプロペラシャフト、等速自在継手の外輪が挙げられる。図１０にドライブシャフトの例を示す。ドライブシャフト１０はエンジンからの動力を駆動車輪に伝達する役割を果たすもので、動力伝達シャフト１２と、その両端に取り付けた等速自在継手Ｊ１、Ｊ２とを含んでいる。動力伝達シャフト１２は中実の場合もあれば中空の場合もあるが、いずれにしても端部にスプライン軸部１４、１６を有する。

図１０の左側の等速自在継手Ｊ１は角度変位だけが可能な固定式等速自在継手であって、外側継手部材としての外輪２０と、内側継手部材としての内輪３０と、トルク伝達要素としての複数のボール４０と、ボール４０を保持するためのケージ４２を主要な構成要素としている。

外輪２０はマウス部２２とステム部２８とからなり、素材は炭素を０．３〜０．６ mass％含有する鋼である。マウス部２２はここではベル型で、球面状の内周面２２に、軸方向に延びるボール溝２６が円周方向で等間隔に形成してある。ステム部２８はスプライン軸部を含み、このスプライン軸部で、車輪を固定するためのアクスルハブ（図示省略）とトルク伝達可能に結合するようになっている。

内輪３０はスプライン穴３２を有し、動力伝達シャフト１２のスプライン軸部１４とトルク伝達可能に結合している。内輪３０の外周面３４は球面状で、軸方向に延びるボール溝３６が円周方向に等間隔に形成してある。

外輪２０のボール溝２６と内輪３０のボール溝３６は対をなし、各対のボール溝２６、３６に１個ずつ、ボール４０を介在させてある。すべてのボール４０はケージ４２によって同一平面内に保持される。潤滑用に充填したグリースの漏れを防止し、また、外部から水や塵埃といった異物が侵入するのを防止するために、ゴムやプラスチックといった可撓性を有する材料でできたブーツ４４を装着した状態で使用する。

図１０の右側の等速自在継手Ｊ２は、角度変位だけでなく軸方向変位も可能なしゅう動式等速自在継手である。より具体的にはいわゆるトリポード型等速自在継手であって、外側継手部材としての外輪５０と、内側継手部材としてのトリポード６０と、トルク伝達要素としてのローラアセンブリ７０とを主要な構成要素としている。

外輪５０はマウス部５２とステム部５８とからなり、素材は炭素を０．３〜０．６ mass％含有する鋼である。マウス部５２はここではカップ状で、円周方向の三等分位置に、軸方向に延びるトラッ溝５６が形成してある。ステム部５８はスプライン軸部を含み、このスプライン軸部で、ディファレンシャルの出力軸とトルク伝達可能に結合するようになっている。

トリポード６０は、ボス部６４と、ボス部６４の円周方向三等分位置から突出したトラニオンジャーナル６６とからなる。ボス部６４にはスプライン穴６２が形成してあり、このスプライン穴６２で、動力伝達シャフト１２のスプライン軸部１６とトルク伝達可能に結合している。各トラニオンジャーナル６６にはローラアセンブリ７０が回転自在に支持させてある。

ローラアセンブリ７０は、ここでは針状ころを介して相対回転自在のリングとローラとからなる例が示してあるが、トラニオンジャーナル６６との間に針状ころを介して回転自在の単一のローラであってもよい。ローラアセンブリ７０は、外輪５０のトラック溝内に収容され、継手が作動角をとった状態で回転するとき、トラック溝に沿って外輪５０の軸方向に転動する。潤滑用に充填したグリースの漏れを防止し、また、外部から水や塵埃といった異物が侵入するのを防止するために、ゴムやプラスチックといった可撓性を有する材料でできたブーツ５４を装着した状態で使用する。

（Ａ）はスプライン軸の半断面図、（Ｂ）はスプラインの緒元を示す図である。 軸方向のO.B.D.分布を示す線図である。 軸方向のO.B.D.熱処理変化量を示す線図である。 硬化層深さを示す線図である。 （Ａ）（Ｂ）はスプライン軸の断面図である。 コイル調整前後のO.B.D.分布を示す線図である。 コイル調整前後のO.B.D.分布を示す線図である。 コイル調整前後の全硬化層深さを示す線図である。 コイル調整前後の有効硬化層深さを示す線図である。 ドライブシャフトの断面図である。 （Ａ）はスプライン軸の断面図、（Ｂ）は軸方向のO.B.D.分布を示す線図である。

符号の説明

２ スプライン軸
４ 小径部
６ スプライン
８ 切り上がり部
Ｌ スプライン成形範囲
Ｐ 焼入れ範囲
ａ 先端
ｂ 基端
ｃ スプライン起点
ｍ 根元部
ｎ 逃げ部
１０ ドライブシャフト
１２ スプライン軸部
１４ スプライン軸部
Ｊ１ 等速自在継手
２０ 外輪
Ｊ２ 等速自在継手
５０ 外輪

Claims (6)

1. プレス加工により成形したスプライン軸であって、根元部の全硬化層深さを根元部以外の部分の全硬化層深さよりも深くしたことを特徴とするスプライン軸。
2. 高周波焼入れにより焼入れした請求項１のスプライン軸。
3. 素材が０．３〜０．６ mass％の炭素を含む鋼である請求項１または２のスプライン軸。
4. モジュールが０．７〜２．０である請求項１、２または３のスプライン軸。
5. 請求項１から４のいずれか１項のスプライン軸を有する動力伝達シャフト。
6. 請求項１から４のいずれか１項のスプライン軸を有する等速自在継手外輪。

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